Спосіб контролю втомного пошкодження за допомогою структурно-чутливого сенсора

Реферат: UA 73708 U UA 73708 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до способів контролю втомного пошкодження конструкцій і може бути використана при проведенні натурних втомних випробувань авіаційних конструкцій і при їх експлуатації. Відомий спосіб, в якому накопичене втомне пошкодження визначають за допомогою монокристалічного зразку-свідку (сенсора), що закріплюється на поверхні деталі, стан якої контролюється [1]. Кріплення здійснюється клеєм. Показником накопиченого пошкодження є щільність смуг ковзання на поверхні сенсора. Недоліками вказаного способу є: а) імовірність невідповідності деформацій сенсора і деталі конструкції, пов'язана з характеристиками клеєвого з'єднання, результатом чого є похибка в визначенні накопиченого пошкодження і залишкового ресурсу; б) залежність якості клеєвого з'єднання від температури навколишнього середовища; в) неможливість керування чутливістю сенсора. Найбільш близькими за технічною суттю (прототипами) є "Спосіб визначення залишкового ресурсу елементів конструкцій за станом деформаційного рельєфу поверхні плакуючого шару" [2] та "Спосіб прогнозування залишкової довговічності елементів авіаційної конструкцій по насиченості і фрактальній розмірності деформаційного рельєфу" [3], що базуються на можливості кількісної оцінки накопиченого втомного пошкодження за станом поверхні плакованих конструкційних алюмінієвих сплавів. При втомному навантажуванні плакованих конструкційних сплавів на їх поверхні виникає і розвивається деформаційний рельєф. Еволюція параметрів деформаційного рельєфу корелює з кількістю циклів навантажування і рівнем прикладених навантажувань. Кількісними параметрами деформаційного рельєфу як показника пошкодження вважаються: параметр пошкодження D, який визначається з відношення площі поверхні з ознаками мікропластичної деформації до загальної площі поверхні в полі зору; фрактальна розмірність співвідношення периметр-площа Dp/s, яка характеризує форму кластерів деформаційного рельєфу. Контролюється ділянка розміром 0,3×0,3 мм поблизу концентратора напружень (отвору). Використовується оптичний мікроскоп, цифровий фотоапарат і спеціальне програмне забезпечення для автоматизованого визначення параметрів деформаційного рельєфу. Недоліком цих способів є те, що вони можуть бути застосовані тільки для матеріалів, на поверхні яких формується і розвивається деформаційний рельєф і в тих випадках, коли є можливість спостереження стану поверхні оптичними методами. Технологічні проблеми виникають і при наявності на поверхні анодування і лакофарбових покриттів. В основу корисної моделі поставлена задача удосконалити існуючі способи з метою забезпечення можливості моніторингу втомного пошкодження елементів конструкцій, які не мають чутливого до циклічного навантажування плакуючого шару при будь-яких режимах циклічного навантажування. Покладена задача вирішується шляхом застосування нового способу, який реалізується шляхом використання структурно-чутливих сенсорів. Сенсори можуть бути встановлені в місцях, які визначають інтегральну пошкоджуваність конструкції та процес вичерпання її ресурсу. Спосіб контролю втомного пошкодження може бути адаптований для роботи в широкому діапазоні режимів навантажування шляхом оптимізації геометрії сенсорів. Кількісними параметрами деформаційного рельєфу і відповідного втомного пошкодження є насиченість рельєфу і фрактальна розмірність його кластерів. Для визначення кількісних параметрів деформаційного рельєфу використовують комп'ютеризовану оптичну систему, яка складається з цифрової камери, оптичного мікроскопа і комп'ютера з необхідним програмним забезпеченням. По насиченості деформаційного рельєфу визначають параметр пошкодження D, який дорівнює відношенню площі поверхні з ознаками мікропластичної деформації до загальної 2 площі поверхні в полі зору. Ділянка спостереження має площу приблизно 0,05 мм . Збільшення мікроскопа х350. Фрактальну розмірність визначають застосуванням апарату фрактальної геометрії [3]. Для аналізу пошкоджуваності поверхні використовують фрактальну розмірність Dp/s. Структурно-чутливий сенсор втомного пошкодження, який дозволяє реалізувати новий спосіб контролю втомного пошкодження, являє собою мініатюрний зразок, виготовлений з алюмінієвого сплаву Д16АТ (фіг.1). Сенсор закріплюють на несучому елементі конструкції (фіг.2) так, щоб забезпечити його сумісну роботу з конструкцією. В результаті дії циклічного навантажування на поверхні сенсора формується і розвивається деформаційний рельєф, параметри якого визначають пошкодження сенсора і конструкції. Для кількісної оцінки рельєфу використовують комп'ютеризований оптичний метод контролю, який дозволяє визначати його параметри. 1 UA 73708 U 5 10 15 20 25 30 35 40 Оцінку втомного пошкодження і залишкового ресурсу авіаційних конструкцій виконують по регресійним рівнянням еволюції параметрів деформаційного рельєфу поверхні сенсора в процесі циклічного навантажування. Чутливість сенсора визначають локальним підсиленням напруження в його робочій зоні і адаптують до умов навантажування за рахунок оптимізації геометрії сенсора. В процесі перевірки можливості реалізації способу, що пропонується, розроблено, виготовлено та випробувано два типи сенсорів різної чутливості. Згідно з корисною моделлю, спосіб реалізується наступним чином: - визначають режими навантажування елемента конструкції, на якому встановлюється сенсор; - визначають геометрію сенсора, яка забезпечує необхідну чутливість сенсора; - ділянку локалізованої зони поверхні сенсора полірують для забезпечення можливості застосування оптичної мікроскопії для аналізу деформаційного рельєфу поверхні; - після циклічного навантажування, яке визначається програмою ресурсних випробувань, проводять фотографування деформаційного рельєфу поверхні за допомогою оптичного мікроскопа і цифрової фотокамери; - за допомогою розробленого програмного забезпечення по цифрових фотографіях визначають параметри деформаційного рельєфу; - відповідно до попередньо отриманих множинних кореляційних моделей визначають накопичене пошкодження і залишковий ресурс сенсора і конструкції. Як приклад, на фіг. 3 представлено результати моніторингу параметру пошкодження D двох сенсорів різної чутливості при циклічному навантажуванні з максимальним напруженням циклу в елементі конструкції max=160,0 МПа та коефіцієнті асиметрії R=0. На поверхні обох сенсорів перші ознаки деформаційного рельєфу спостерігались вже після 20 тисяч циклів. Так як і при випробуваннях стандартних зразків з конструктивними концентраторами напружень, зв'язок параметра пошкодження з числом циклів навантажування найбільш точно може бути описаний логарифмічною функцією. Еволюція пошкодження сенсорів дозволяє прогнозувати залишкову довговічність сенсорів і відповідного елемента конструкції. Проведений експеримент підтверджує вирішення задачі забезпечення можливості моніторингу втомного пошкодження елементів конструкцій, які не мають чутливого до циклічного навантажування плакуючого шару в широкому діапазоні режимів циклічного навантажування. Джерела інформації: 1. А.С. СССР №1580218, "Способ контроля усталостной повреждаемости элементов конструкций"/ Засимчук Е.Э., Радченко А.И., Карускевич М.В.-23.07.1990, Бюл.№27. 2. Деклараційний патент на корисну модель № 3470 "Спосіб визначення залишкового ресурсу елементів конструкцій за станом деформаційного рельєфу поверхні плакуючого шару" / Ігнатович С.Р., Карускевич М.В., Карускевич О.М.-15.11.2004, Бюл. №11. 3. Пат. 29683 Україна, МПК G 01 N 3/32. Спосіб прогнозування залишкової довговічності елементів авіаційної конструкцій по насиченості і фрактальній розмірності деформаційного рельєфу / Ігнатович С.Р., Карускевич М.В., Маслак Т.П., Пантелеев В.М., Якушенко О.С.; заявник та патентовласник Національний авіаційний університет. -№ U200709909; заявл. 04.09.07; опубл. 25.01.08, Бюл. № 2. 45 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 50 Спосіб контролю втомного пошкодження за допомогою структурно-чутливого сенсора, при якому про втомне пошкодження судять по параметрах деформаційного рельєфу поверхні сенсора, який відрізняється тим, що чутливістю сенсора керують шляхом оптимізації його геометрії. 2 UA 73708 U Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3